柴油共轨燃油喷射技术

柴油共轨燃油喷射技术

图1 轿车用压电共轨喷油器结构图

2 第三代共轨喷油系统

图2 V6柴油机用Bosch第三代共轨喷油系统布置图

燃油由低压电动燃油泵输送给具有泵油量调节功能的高压油泵，分配单元将进入的燃油分成两路：一路供给泵油元件，另一路用以冷却传动机构和润滑轴承。高压油泵将燃油压缩至最高压力达160MPa，并将其输入油轨。拧紧在油轨上的油轨压力传感器采集实时压力，并通过集成在高压油泵上的分配单元进行燃油压力调节，而拧紧在油轨上的压力调节阀则用于在汽车加速行驶时快速泄压。

高压燃油经油轨到压电喷油器，它由电控单元根据运行工况来控制，能精确地调节喷油始点和

喷油持续期，并且可柔性塑造喷油曲线(喷油相位、喷油次数和喷油量)形状。

2．1 泵油量可调式高压油泵

第三代共轨喷油系统采用的CP3．x型泵油量可调式高压柴油泵是一种径向柱塞泵，它具有3个柱塞和安装在钢壳体中的多边凸轮轴(图3)。油泵转速达到4000r／mln时能提供高达160MPa的喷油压力。

图3 CP3.x型泵油量可调式高压油泵

通过向油轨精确供应燃油量来调节油轨压力，以此维持系统的喷油压力，这样能减少被压缩至高压的燃油量，从而减少油泵消耗的功率。

CP3．x型高压油泵有各种不同的结构尺寸，能满足从小排量轿车至大型卡车发动机的需要。供货目录通过各种不同壳体尺寸、柱塞直径和行程的分级来改变泵油量。此外，供货目录中还将电动燃油泵或集成式齿轮泵规定为初级输油泵，以及可选用爪式、锥型或十字型联轴节。

2．2 高压油管、调压阀和油轨总成

高强度模块式激光焊接油轨(LWR)的结构方案基本上能满足未来的要求，其表面涂层不含Cr6+，已满足2007年起实施的法规要求。为了调节油轨压力，在油轨两端轴向装有最新一代的压力传感器和调压阀(图4)。

图4 带压力传感器和调压阀的激光焊接油轨总成

电磁调压阀由供电电流占空比来控制，通过优化电磁回路和减小磁滞回线能迅速和精确地调节油轨压力，这样就有可能在各种不同的容积流量下保持油轨压力恒定。

油轨容积必须足够大，以便补偿压力波动，将其对喷射的影响减至最小程度；另一方面油轨容积又必须足够小，以便确保起动时迅速建立起油压。为使其最佳化，在设计阶段运用AMESIM 程序进行了模拟计算。

柴油机共轨喷油技术的进展

作者：钱人一同济大学

本文将介绍日本电装公司的ECD-U2共轨喷油系统和博世公司的共轨喷油系统，并阐述共轨喷油技术的发展趋势。

柴油机共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势器，称为共轨。高压供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控制燃油定量和喷油定时。管理燃油压力和向各个气缸输送燃油的任务通过共轨完成。这样，燃油喷射过程可以不受压力产生和燃油输送过程的牵制；燃油定量控制和喷油定时控制可以更为灵活和自由。

相对于其他燃油喷射系统，共轨燃油喷射系统有如下特点：在燃油定量和喷油定时方面实行全电子的和柔性的控制；喷油规律曲线形状可以比较自由地调整；优化的、已可达到1800bar 的喷油压力（仅次于博世公司的泵喷嘴和泵管嘴）控制；能实现每个工作循环多达七次的燃油喷射；高度的紧凑性和较低的高压油泵驱动扭矩。

日本电装公司的ECD-U2共轨喷油系统

日本电装（Denso）公司率先在上世纪九十年代初推出了名为ECD-U2的共轨燃油喷射系统。ECD-U2共轨喷油系统由高压供油泵、共轨、喷油器以及控制这些部件的电子控制单元和各种传感器等组成（如图1）。系统利用泵控制阀改变高压供油泵的燃油出油量来控制共轨压力，共轨压根据发动机负荷和转速确定的数值而调节。泵控制阀与燃油压力传感器相结合进行共轨压力的闭环控制。

喷油器的工作原理

共轨压力长期施加在喷油器针阀的底面上。只有在喷油器不通电时才施加在针阀的背面上。当喷油器不通电的时候，三通阀使单向孔板上面的空腔与共轨连通，高压燃油通过单向孔板流入控制腔（液压柱塞的上方），通过液压柱塞对针阀施加向下的压力，跟回位弹簧的作用力一起克服针阀下方燃油压力，使针阀关闭。在这个过程中，单向孔板没有节流作用。

当ECU发出喷油脉冲时，三通阀使单向孔板上面的空腔与回油管连通，燃油流到回油管去，充满在这个空腔里的高压燃油压力立刻下降到大气压力。由于单向孔板节流，其下面控制腔中的压力只能缓慢地下降，喷油器针阀逐渐地升起，造成所谓的德尔塔型（三角型）喷油规律，这种喷油规律对气缸内的燃烧十分有利。

当由电子控制单元控制的喷油持续时间过去之后，喷油器断电，三通阀恢复到它的初始状态。此时，来自共轨的高压燃油通过三通阀和单向孔板流入控制腔，使控制腔迅速地达到共轨压力,令针阀很快关闭，喷油很快被切断。

由此可见，喷油嘴的开启和关闭完全由喷油器控制腔中的压力和共轨压力的差值决定。改变施加在三通阀上的电脉冲宽度，可以控制喷油量；改变施加在三通阀上的电脉冲发生的时刻，可以控制喷油定时。因为ECD-U2共轨喷射系统是一个全电子控制的、完善的压力-时间燃油定量控制系统，所以没有传统燃油喷射系统固有的问题，如：由于喷油系统内的压力传播而产生难以控制的或者不能控制的工况区域；由于调速器控制能力不足而引起低速下控制效能不良。

三种形状的喷油规律

ECD-U2共轨喷射系统的喷油规律可以控制成三种的形状，即德尔塔型（三角型）、靴型和预喷型：

•德尔塔型（三角型）喷油率型式：喷油率逐渐上升并迅速截止的型式

•预喷型式：在主喷之前实施一次小油量的预喷的型式

• 靴型喷油率型式：预喷跟主喷连在一起，形成一种靴子形状的喷油率型式

其中最有意义的是预喷。预喷是通过在主喷脉冲之前提供一个小小的预喷脉冲，因此三通阀在

每次喷油中都开启两次。预喷量小到1立方毫米/冲程。预喷和主喷的间隔时间已经可以缩小到0.1毫秒。预喷可以减少在滞燃期内形成的可燃混合气，进而有效地降低柴油机的燃烧噪声。

高压供油泵的控制策略

高压供油泵的功能是控制出油量以产生高压燃油。它采用便于产生高压的凸轮驱动机构（见图1）。泵控制阀关闭后柱塞的升程当量决定了出油量。通过对泵控制阀关闭时刻的控制，或者通过对凸轮预升程的控制来控制出油量，燃油在没有经过压缩的状况下进行回油并定量，从而减少了高压回油。因此，泵驱动扭矩明显地下降了。最大驱动扭矩只有直列泵的三分之一。

博世（BOSCH）公司的共轨喷油系统

世界性大公司研究开发和生产的共轨喷油系统，其基本原理大同小异，但在一些关键零部件的设计上则各有特色。BOSCH公司对共轨喷油技术的研究与开发1997年才起步，但是发展迅速，现在已经发展到了第四代，累计已经生产出了大约1500万套共轨燃油喷射系统。

图2所示为BOSCH公司共轨喷油系统的高压部分。这个系统的特点是，增加了限压阀和限流器。其中：1）压力控制阀使燃油压力保持恒定，压力控制有两条控制环路：一条慢响应的电气控制环路，用于设定共轨中变动着的平均压力；一条快响应的机械控制环路，用于补偿高频压力脉动。2）共轨压力传感器的特点是，产生的信号由安装在传感器内部的运算电路放大后送往ECU。如果共轨压力传感器发生故障，那幺压力控制阀就被触发成“关闭”状态，同时起动紧急（跛行回家）功能，采用固定值。3）限压阀起泄压作用，它将最大共轨压力限制在一个确定的数值，例如1500bar。4）共轨通往每一个喷油器的出口处都装设了一个限流器，限流器的另一头拧入喷油管。在某一个喷油器中发生永久开启的非常不寻常的情况下，限流器可防止连续地喷油。

喷油器与日本电装公司共轨喷油器的设计原理差不多，也是以电控制液，用液控制喷油嘴针阀，但是具体构造有所不同（见图3）。该喷油器可以分成若干个功能模块：孔式喷油嘴；液压伺服系统；电磁阀。

控制腔(8)通过一个由喷油器的电磁阀开启的泄油孔(6)与回油管(1)相连通。当电磁阀不通电，泄油孔封闭，在阀控制柱塞(9)上的液压力超过施加在喷油嘴针阀压力台肩(11)上的液压力，针阀被压到针阀座上，使高压通道保持对燃烧室的密封。当电磁阀被触发时，泄油孔开启，控制腔内的压力降低，柱塞上的液压力也降低。一旦这个液压力降低到低于作用在喷油嘴针阀